Влияние крупных городов на климат

В 30-х годах нашего столетия был введен термин «теплые острова», которым климатологи охарактеризовали устойчивое превышение температуры воздуха на территории крупных городов мира над его температурой в прилегающих к городам местностях.

Это характерно для промышленных городов с населением свыше 1 млн. человек (в 21 веке их будет насчитываться более 300).

Средние годовые температуры в больших городах, таких, как Москва, выше, чем в окружающей их сельской местности на 1...2°С. В разное время года и суток и в различных условиях погоды это различие может быть больше и достигать 8....10° С (теплее).

К увеличению температуры городов приводят следующие факторы:

ясная, малооблачная погода ( лето и зима );

ночное время суток.

К снижению температуры городов (ниже, чем в окружающей сельской местности) приводит фактор:

плотность и низкая облачность.

Крупные города (в том числе и Москва) «потеплели» за последние 100 лет примерно на 2°С.

Причины:

в городах больше, чем в сельской местности, сжигается топлива, следовательно больше тепла отдается окружающему воздуху;

около 0,9 повышения температуры в городах связано с задымленностью воздуха городов и особенно с высоким содержанием в городском воздухе СО₂; Н₂О и других примесей, создающих так называемый «парниковый» эффект, о чем уже говорилось выше.

Газы, имеющие трехатомную структуру, отличаются избирательной способностью поглощения лучистой энергии. Пропуская большинство лучей коротковолновой части спектра, направленных «сверху вниз» (от Солнца к земной поверхности), они поглощают значительную часть излучения земной поверхностью длинноволновой лучистой энергии, направленной «снизу вверх». Поэтому отдача тепла земной поверхностью в космическое пространство снижается, тепло остается в пределах нижнего приземного слоя воздуха, что особенно ощутимо в ясные ночи.

Главная причина повышенной температуры воздуха в городах - изменение условий радиационно-теплового баланса над территорией города по сравнению с территорией окрестностей.

Теплоотдача городских отапливаемых построек также играет свою роль (около 10% общей разности температур между городом и окрестностями ).

Между городом и окрестностями существует разница не климата вообще, а только микроклимата, т.к. в целом факторы, определяющие климат, для города и его окрестностей остаются одними и теми же.

Параметры микроклимата, изменяющиеся в крупных городах:

1. температура (об этом параметре говорилось выше);

2. ветровой режим ( нарушен);

3. воздухообмен (затруднен);

4. режим осадков (слабые чаще, чем за городом);

5. изменения в облачном покрове, прозрачности воздуха (туманы с дальностью видимости до 1 км в больших городах бывают реже, чем в окрестностях).

В окрестностях крупных городов (например, Москва) туманов ежегодно бывает больше, чем в самих городах.

Повышение температуры городского воздуха по сравнению с окрестностями заметно снижает относительную влажность воздуха, а, следовательно, и вероятность достижения воздухом состояния насыщения, необходимого для возникновения туманов.

Так увеличение температуры на 1° С при том же содержании в воздухе Н₂О приводит к снижению относительной влажности воздуха на 10%.

Если плотных туманов в крупных городах с видимостью менее 1 км бывает в 2 - 3 раза меньше, чем за городом, то дымок с видимостью от 1 до 9 км бывает в 2 - 3 раза больше, чем в окрестностях.

Энергия солнечных лучей в крупных городах ослаблена по сравнению с загородной местностью примерно на 0,2.

В утренние и вечерние часы при низком положении солнца над горизонтом (зимой - и в дневное время) количество Солнечной радиации ниже в городе в 2 раза.

Причина: городской дым и пыль. Они задерживают самую важную часть солнечного спектра для живых организмов - ультрафиолетовую.

Обилие в городском воздухе частичек твердых веществ стимулирует образование капелек и снежинок. Это приводит к образованию облаков, в результате чего чаще выпадают осадки (особенно небольшие - морось, слабый снег).

Радиационная экология

Еще одной важной проблемой мегаполисов, оказывающей глобальное воздействие на окружающую среду в масштабах планеты, является введение в окружающую среду радиоактивных веществ, которые наряду с природным происхождением в большинстве случаев являются продуктом деятельности человеческой цивилизации.

В настоящее время этими вопросами занимается в том числе и радиационная экология.

Радиационная экология - это раздел экологии, изучающий влияние радиоактивных веществ (нуклидов) на организмы, распределение и миграцию нуклидов в ценоэкосистемах (популяциях, биоценотической среде, почве, биоценозах).

Радиоактивный фон - это излучение природных источников. К радиоактивному фону относится космическое излучение и излучение, испускаемое природными материалами - радием и торием, находящимися в земной коре, а также радиоактивными изотопами калия (в почве и воде), углерода (в воздухе), водорода (в водяных порах) и др.

Приходящаяся в среднем на каждого человека общая доза ионизирующего излучения, создаваемая радиоактивным фоном на 30 лет, может составить 3....5 Р.

Термин «радиоактивность» было введено М. Кюри-Склодовской, которая совместно с Пьером Кюри изучала особенности распада химических элементов.

Началом исследования радиоактивности считают 1896 год, когда французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что фотографическая пластина, защищенная от света темной светонепроницаемой бумагой, оказалась засвеченной. На пакете с фотопленкой лежал минерал, содержащий уран. Опыты показали, что излучение урана засвечивает фотопластинку.

Один и тот же химический элемент может иметь разное количество изотопов («изо» значит равный, т. е. имеющий равное количество протонов). Многие ядра изотопов являются нестабильным, т.е. могут разрушаться. В процессе такого разрушения ядра излучают, поэтому их называют радионуклидами.

Радионуклидами называются радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером.

Различают следующие виды ионизирующих излучений:

альфа-излучение - излучение, состоящее из ядер гелия;

бета- излучение - электронное и позитронное излучение;

гамма- излучение - фотонное (электромагнитное) излучение.

Кроме этих видов излучения выделяют тормозное и рентгеновское излучения, а также нейтронное. Определенные дозы излучений опасны не только для здоровья, но и для жизни. Серьезные биологические последствия воздействия радиоактивных веществ связаны с мутагенным действием ионизирующих лучей на половые клетки. Вызываемые ими мутации могут быть субмикроскопическими или же представить собой микроскопически видимые изменения в хромосомах.

Радиационные мутации бывают:

1. доминантными (если у индивидуума возникла доминантная мутация - то она проявится у всех его потомков);

2. рецессивными (проявляются только у тех индивидуумов, которые получили одинаковые мутантные гены от обоих родителей).

Рецессивные мутации от воздействия радиации встречаются значительно чаще, чем доминантные.

Среди рецессивных мутантных генов много таких, которые внешне ничем не проявляются, однако снижают плодовитость и продолжительность жизни.

Влияние искусственных источников радиоактивного излучения все более повышает вероятность появления вредных генов. В США (по данным научно- исследовательских организаций) 2% новорожденных имеют ту или иную генетическую аномалию, проявляющуюся до наступления половой зрелости. К этим аномалиям относятся:

умственная отсталость;

врожденные аномалии нервной и нейромышечной системы, кожи, скелета, эндокринных желез;

нарушения слуха , зрения;

аномалии желудочно-кишечного тракта и мочеполовой системы.

Для выявлении степени опасности необходимо знать, с каким излучением приходится иметь дело. Следует иметь ввиду, что альфа -частицы во много тысяч раз тяжелее бета - частиц, т.е. электронов. Поэтому от альфа- излучения можно защититься листом бумаги. У бета - излучения проникающая способность намного выше, что касается гамма- излучения, то его проникающая радиация способность еще больше. От него можно защититься только свинцовой плитой.

Радионуклиды опасны еще и тем, что по пищевой цепи они могут попасть непосредственно к человеку. Для оценки активности радионуклидов в системе СИ используется единица 1 беккерель, что соответствует 1 ядерному превращению за 1 секунду. Внесистемной, но часто применимой единицей активности является 1 кюри, что соответствует 3,7 *10 ¹⁰ ядерных превращений за 1 секунду. Минимальный уровень радиоактивного загрязнения, требующий внимания составляет 4 кБк/кг или 1*10 ^-7 Ки/ кг (если оценивается жидкость, то в знаменателе будет стоять л ).

Дозу, поглощенную организмом, имеет смысл определить на единицу массы. Такая доза (поглощенная доза) - это количество энергии излучения живого организма). В системе СИ она измеряется в греях (ГР).

1 Гр =1 Дж/кг. Но эта доза не учитывает тип излучения. С учетом излучения применяют понятие эквивалентной дозы, которой называется основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. В системе СИ она измеряется в зивертах (Зв).

Поглощенную дозу часто измеряют не в Гр , а в радах:1рад= 0,01Гр.

Эквивалентную дозу часто измеряют не в Зв , а в бэрах: 1бэр=0,01Зв.

Далеко не все представляют , что они часто подвергают себя воздействию ионизирующих излучений.

Например, при производстве удобрений используются фосфаты, которые содержат уран - источник радиоактивности. Полученные удобрения -радиоактивны. Особенно опасно, если вещества, содержащие фосфаты скармливают скоту. Процесс накопления идет и в том случае, если фосфатные удобрения вносят в почву в жидком виде, что тоже широко применяется в развитых странах.

При переработке фосфорных руд образуется кальций-силикатный шлак, обладающий высокой радиоактивностью. Он применяется при изготовлении бетона, что приближает источник естественной радиации к человеку.

Большой удельной радиоактивностью обладают гранит и пемза, которые широко применяются в качестве строительных материалов.

Человек, находящийся в помещении, облучается не только потому, что стены и перекрытия сделаны из радиоактивных материалов, но и в результате воздействия на него радиоактивного газа радона (радон 222 и радон 220), который попадает внутрь помещения из грунта под зданием, вместе с природным газом, с водой, а также с наружным воздухом. Если учитывать только те источники, которые исходят из земли, то на радон приходится около 75% .

Следует учитывать и такой момент, что накопление радиоактивных веществ может происходить не только в организме, но и в неживой природе (воде, почве, воздухе), если приток данного вещества в данный объем больше, чем его отток.

Ионизирующие излучения вызывают в организме ряд обратимых и необратимых изменений, что может привести к нарушению деятельности отдельных функций и систем организма. Ионизирующие излучения при воздействии на организм могут вызывать два вида эффектов: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой ожог, лучевая катаракта и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Гигиеническая регламентация ионизирующих излучений осуществляется Нормами радиационной безопасности (НРБ-99).

Существуют следующие дозовые пределы для оценки воздействия ионизирующих излучений.

Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения (единица измерения - Зиверт).

Эффективная доза - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности (единица измерения - Зиверт). Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани W:

Е = Σ (Н * W)

Значения коэффициента W приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3

Вид ткани или органа	Коэффициент W
Гонады	0,20
Красный костный мозг	0,12
Легкие, желудок	0,12
Печень, щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01

Различают следующие категории облучаемых лиц: лица из персонала и лица из населения.

Для категорий облучаемых лиц основные дозовые пределы в соответствии с Нормами радиационной безопасности представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4

Основные дозовые пределы облучения

Нормируемые величины	Дозовые пределы , мЗв
Лица из персонала	Лица из населения
Эффективная доза	20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год	1мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5мЗв в год
Эквивалентная доза за год: в хрусталике в коже в кистях и стопах

РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

Впервые вопросы разрушения озонового слоя Земли, защищающего живые организмы от отрицательного воздействия ультрафиолетового излучения, были рассмотрены в работах профессоров Шервуда Роуленда и Марио Молины в 1974 году. За свое открытие ученые были удостоены Нобелевской премии в области химии за 1995 г. В настоящее время вопросы озонового слоя изучаются и контролируются Координационным комитетом по озоновому слою (ККОС). Установлено, что разрушение озонового слоя Земли происходит в соответствии со следующими химическими уравнениями:

Cl + O₃ = ClO + O₂

ClO + O₃ = Cl + 2 O₂

Основная угроза для озонового слоя Земли исходит от хлор – фтор углеродов (ХФУ), содержание которых в атмосфере постоянно возрастает.

Для сдерживания этого процесса и восстановления озонового слоя требуется планомерное снижение выбросов ХФУ в атмосферу.

Динамика разрушения озонового слоя приведена на рис. 4.4. В качестве критерия оценки толщины озонового слоя используется единица Добсона, соответствующая толщине слоя озона в 0,01 мм.